CN207363853U - 一种基于微流控泵的精确注射闭环控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，包括：微流控泵，通过控制压电陶瓷振子的振动以输出药液；流量传感器，通过感知所述微流控泵输出药液体积的变化而输出电信号；信号调理电路，用于将所述电信号进行信号调理，获得调理后的电信号；信号采集电路，用于将所述调理后的电信号从模拟信号转换为数字信号；信号处理单元，用于根据所述数字信号判断实时流量值是否符合目标流量值，并根据判断结果调整输出信号；以及控制驱动单元，用于根据所述输出信号调整输出至所述微流控泵的驱动信号，以控制所述微流控泵的输出状态。通过本实用新型的闭环控制系统，微流控泵可以在不同的工作条件下自动调整输出特性，实现注射精确可控的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及医疗和美容领域，尤其涉及一种基于微流控泵的精确注射闭环控制系统。
背景技术
目前，市场上销售的电子注射泵大都使用微型电机作为驱动源，配合变速箱和高精度螺杆，带动注射器的推杆运动来推动储药器的活塞，把药液输注到人体内。但是，微型电机及其传动系统成本较昂贵、体积较大。
基于压电陶瓷振子驱动的微流控泵作为微流控技术的一个重要组成部分，以其结构简单、体积轻薄、低频工作、低功耗等优点在医疗和美容应用方面有着广泛的前景。然而，在实际工作中，微流控泵的输出流量受到实际工作条件的影响较大，不同的负载压力，不同的流体黏稠度，都会影响微流控泵的输出精度，仅仅简单控制驱动信号电压的大小、驱动波形的频率无法实现精确注射的目的。
实用新型内容
针对现有技术的上述缺点，本实用新型提供了一种基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，使微流控泵在不同的工作条件下自动调整输出特性，实现精确地控制注射的药液流量。
本实用新型的一种基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，包括：微流控泵，通过控制压电陶瓷振子的振动以输出药液；流量传感器，通过感知所述微流控泵输出药液体积的变化而输出电信号；信号调理电路，用于将所述电信号进行信号调理，获得调理后的电信号；信号采集电路，用于将所述调理后的电信号从模拟信号转换为数字信号；信号处理单元，用于根据所述数字信号判断所述药液的实时流量值是否符合目标流量值，并根据判断结果调整输出信号；以及控制驱动单元，用于根据所述输出信号调整输出至所述微流控泵的驱动信号，以控制所述微流控泵的输出状态。
优选地，所述微流控泵进一步包括压电陶瓷振子、泵腔、入口阀和出口阀，所述泵腔供药液通过，所述压电陶瓷振子作为驱动源。
优选地，所述微流控泵和所述控制驱动电路通过导线组连接，当所述控制驱动电路输出的驱动信号加载于所述微流控泵时，所述压电陶瓷振子产生振动，改变所述泵腔的容积，同时所述入口阀和出口阀交替打开关闭，从而输出药液。
优选地，所述流量传感器具有液体通道以及感知元件，所述液体通道的进口与所述微流控泵的出口连通，所述感知元件为压电陶瓷材料。
优选地，所述流量传感器通过所述压电陶瓷材料感知所述通道内的液体压力变化而产生所述电信号，所述电信号用于表征所述微流控泵的输出流量以及注射压力。
优选地，所述信号处理单元进一步包括分析模块、判断模块和输出模块，所述分析模块分析所述数字信号以获得所述电信号反映的药液实时流量值，所述判断模块判断所述实时流量值是否符合目标流量值，所述输出模块根据判断结果调整所述输出信号并输出至所述控制驱动电路。
优选地，所述控制驱动电路根据所述述输出信号调整输出至所述微流控泵的所述驱动信号的参数，所述参数包括驱动信号电压值、驱动信号频率和驱动信号占空比。
优选地，所述驱动信号电压值控制所述压电陶瓷振子的振动幅度。
优选地，所述驱动信号频率控制单位时间内压电陶瓷振子工作的次数。
优选地，所述驱动信号占空比控制所述微流控泵工作和非工作的时间比例。
本实用新型具有如下有益效果：通过本实用新型的闭环控制系统，微流控泵可以在不同的工作条件下自动调整输出特性，实现注射精确可控的目的。
附图说明
图1是本实用新型的一个实施例的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统的结构示意图。
图2是本实用新型的一个实施例的微流控泵的结构示意图。
图3是本实用新型的一个实施例的流量传感器的结构示意图。
图4是本实用新型的一个实施例的信号处理单元的结构示意图。
图5是本实用新型的一个实施例的驱动控制电路的结构框图。
具体实施方式
下面通过实施例对本实用新型作进一步说明，其目的仅在于更好地理解本实用新型的研究内容而非限制本实用新型的保护范围。
下面结合附图详细说明本实用新型的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统的结构。
如图1所示，本实用新型的一个实施例的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统包括微流控泵(压电式微流控泵)1、流量传感器2、信号调理电路3、信号采集电路4、信号处理单元5和控制驱动单元6。下面对各个部分进行详细说明。
微流控泵1，通过控制压电陶瓷振子的振动以输出药液。微流控泵1的结构如图2所示，主要由压电陶瓷振子11、泵腔14、入口阀12和出口阀13组成。微流控泵1采用压电陶瓷振子11作为驱动源，微流控泵1通过导线组21和控制驱动单元6连接。当控制驱动单元6产生的驱动信号加载在微流控泵1上时，压电陶瓷振子11产生振动，改变泵腔14的容积，同时，入口阀12和出口阀13交替打开关闭，从而输出药液(液体)。图中箭头表示液体的流动方向，泵腔14供药液流通。
具体地，控制驱动单元6产生的驱动信号包括三个参数，分别是驱动电压值、驱动信号频率和驱动信号占空比，通过这三个参数来实时控制微流控泵1的输出状态。当驱动电压从小到大变化的过程中，压电陶瓷振子11的形变程度变大，泵腔14的容积变大，入口阀12打开，出口阀13关闭，此时液体被吸入泵腔14。当驱动电压从大变小时，压电陶瓷11的形变程度变小，泵腔14的容积变小，入口阀12关闭，出口阀13打开，此时液体排出泵腔14，完成一次液体输送。通过驱动电压值的周期变化，可以实现液体输送。也即，通过控制驱动信号电压值，可以控制单次工作的液体流量和输出压力。
驱动信号频率对应了单位时间内压电陶瓷振子11振动的次数，单次振动的输出流量乘以单位时间的振动次数可以得到单位时间的液体流量。因此，通过调整驱动信号频率，可以控制单位时间的液体流量。
驱动信号占空比对应了微流控泵1工作和非工作的时间比例。单位时间的液体流量，乘以工作时间再乘以驱动信号占空比，就可以得到一段时间内的液体输出量。因此，通过调整驱动信号占空比，可以控制一段时间内的液体输出量(流量)。
下面对流量传感器2进行详细说明。流量传感器2的结构如图3所示，主要由感知元件(感知传感器)21和液体通道22构成，液体通道22具有通道入口23和通道出口24。流量传感器2的液体通道22的通道入口23与所述微流控泵1的出口阀13连通，感知元件21感知所述微流控泵1输出药液体积的变化，输出电信号。流量传感器2和信号调理电路3通过导线组31相连，从而输出信号被传送至信号调理电路3。
其中，流量传感器2的感知传感器21同样采用压电陶瓷材料。由于压电陶瓷具有机械能和电能互相转化的特性，因此压电陶瓷同样可以作为感知器件。当液体从微流控泵1输出并流向流量传感器2的通道22时(图中箭头表示液体的流动方向)，液体压力变化，该压力变化会造成感知压电传感器21产生微小的形变，利用压电陶瓷的压电效应，压电陶瓷会相应产生一个电信号。该电信号与微流控泵1的液体注射压力以及输出流量之间存在着较好的相关性。所以，可以通过感知压电陶瓷传感器21产生的电信号来表征微流控泵1的药液输出流量和液体注射压力。
信号调理电路3用于将流量传感器2产生的上述电信号进行放大、滤波、阻抗匹配，获得调理后的电信号。由于流量传感器2输出的电信号是一个微小的信号，需要通过信号调理电路3进行处理，然后送至信号采集电路4。这里，信号调理电路包括信号放大电路、信号滤波电路和阻抗匹配电路。其中，信号放大电路用于对电信号进行放大。流量传感器输出的电信号是一个微弱信号，首先必须放大使之达到后端信号采集电路的量程范围。信号滤波电路用于只允许在对应工作频率范围内的信号通过，滤除其他噪声。阻抗匹配电路用于匹配传感器输出阻抗和后端信号采集电路的输入阻抗，防止信号失真。信号调理电路可以采用任何公知的起到信号调理功能的电路。
信号采集电路4用于将所述调理后的电信号从模拟信号转换为数字信号。具体地，信号采集电路4例如是A/D转换器。
信号处理单元5用于根据信号采集电路4输出的上述数字信号判断实时流量值是否符合目标流量值，并根据判断结果调整输出信号。具体地，如图4所示，信号处理单元5进一步包括分析模块51、判断模块52以及输出模块53。
其中，分析模块51通过算法分析上述数字信号从而获得电信号反映的药液实时流量值。本领域技术人员可以采用已知的算法或方法进行上述分析步骤。判断模块52判断该实时的流量值是否符合目标流量值。输出模块53根据判断结果调整输出至驱动控制电路6的输出信号。该输出信号主要包括DO信号，Enable(使能)信号和CLK(时钟)信号。其中，DO信号用于调整驱动信号电压值，Enable信号用于调整驱动信号占空比，CLK信号用于调整驱动信号频率值。具体地，在实际流量大于目标流量的情况下，减小控制驱动电路6输出的驱动信号电压值、驱动信号频率和驱动信号占空比中的任意一者或两者以上，从而降低流量。反之，在实际流量小于目标流量的情况下，增大控制驱动电路6输出的驱动信号电压值、驱动信号频率和驱动信号占空比的任意一者或两者以上，从而增加流量。
控制驱动单元6用于根据所述输出信号调整输出至所述微流控泵1的驱动信号，以控制所述微流控泵1的输出状态。控制驱动单元6主要控制驱动信号的三个参数，如前所述，分别是驱动信号电压值、驱动信号频率、驱动信号占空比，通过这三个参数来实时控制微流控泵1的输出状态。
控制驱动单元6的结构示意图如图5所示，控制驱动单元6包括高压驱动电路61、参考电压62、电压反馈63、升压电源64以及使能开关65等部分。下面根据图5详细说明根据信号处理单元的三组输出信号来控制驱动信号三个参数。
驱动电压值是如下进行调整的。信号处理单元5根据流量传感器2的电信号计算出驱动电压值。具体地，流量传感器2输出电信号，通过数字信号处理，提取其中的特征值。通过相应算法得到对应的电压值。该对应的电压值通过信号处理单元5的DO信号55调节参考电压62，参考电压信号通过电压反馈63调节升压电源64的输出，该输出就是驱动信号的电压值。
信号处理单元5的CLK信号56控制驱动信号频率值，该CLK信号通过控制驱动单元6中的高压驱动电路61后，输出特定频率的驱动信号组High Voltage Out+/-66。
信号处理单元5通过Enable信号58连接到使能开关65控制升压电源64和高压驱动电路61的使能，从而控制驱动信号的占空比。具体地，Enable信号控制使能开关，当Enable信号标志为关闭时，升压电路和高压驱动电路停止工作，从而使输出信号为0电平。当Enable信号标志为打开时，升压电路和高压驱动电路正常工作。这样，通过使能信号的打开和关断的时间比，就能控制驱动信号的占空比。
驱动电压可以控制微流控泵1的压电陶瓷振子11的振动程度，从而改变微流控泵1的输出的压力和流量。驱动信号的频率对应了单位时间内压电陶瓷振子11工作的次数。信号占空比对应了微流控泵1工作和非工作的时间比例。根据信号处理单元5传递过来的信息，控制驱动单元6调整这三个参数中的任意一者或两者以上，实时控制微流控泵1的输出状态，从而达到闭环控制的效果，使得微流控泵可以在不同的工作条件下自动调整输出特性，实现注射精确可控的目的。
显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围。
Claims (10)
1.一种基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，其特征在于，包括：
微流控泵，通过控制压电陶瓷振子的振动以输出药液；
流量传感器，通过感知所述微流控泵输出药液体积的变化而输出电信号；
信号调理电路，用于将所述电信号进行信号调理，获得调理后的电信号；
信号采集电路，用于将所述调理后的电信号从模拟信号转换为数字信号；
信号处理单元，用于根据所述数字信号判断所述药液的实时流量值是否符合目标流量值，并根据判断结果调整输出信号；以及
控制驱动单元，用于根据所述输出信号调整输出至所述微流控泵的驱动信号，以控制所述微流控泵的输出状态。
2.根据权利要求1所述的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，其特征在于，所述微流控泵进一步包括压电陶瓷振子、泵腔、入口阀和出口阀，所述泵腔供药液通过，所述压电陶瓷振子作为驱动源。
3.根据权利要求2所述的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，其特征在于，所述微流控泵和所述控制驱动电路通过导线组连接，当所述控制驱动电路输出的驱动信号加载于所述微流控泵时，所述压电陶瓷振子产生振动，改变所述泵腔的容积，同时所述入口阀和出口阀交替打开关闭，从而输出药液。
4.根据权利要求1所述的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，其特征在于，所述流量传感器具有液体通道以及感知元件，所述液体通道的进口与所述微流控泵的出口连通，所述感知元件为压电陶瓷材料。
5.根据权利要求4所述的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，其特征在于，所述流量传感器通过所述压电陶瓷材料感知所述通道内的液体压力变化而产生所述电信号，所述电信号用于表征所述微流控泵的输出流量以及注射压力。
6.根据权利要求1所述的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，其特征在于，所述信号处理单元进一步包括分析模块、判断模块和输出模块，所述分析模块分析所述数字信号以获得所述电信号反映的药液实时流量值，所述判断模块判断所述实时流量值是否符合目标流量值，所述输出模块根据判断结果调整所述输出信号并输出至所述控制驱动电路。
7.根据权利要求1所述的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，其特征在于，所述控制驱动电路根据所述述输出信号调整输出至所述微流控泵的所述驱动信号的参数，所述参数包括驱动信号电压值、驱动信号频率和驱动信号占空比。
8.根据权利要求7所述的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，其特征在于，所述驱动信号电压值控制所述压电陶瓷振子的振动幅度。
9.根据权利要求7所述的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，其特征在于，所述驱动信号频率控制单位时间内压电陶瓷振子工作的次数。
10.根据权利要求7所述的基于微流控泵的精确注射闭环控制系统，其特征在于，所述驱动信号占空比控制所述微流控泵工作和非工作的时间比例。
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| CN109882381A (zh) * | 2019-03-01 | 2019-06-14 | 浙江师范大学 | 一种双振子驱动的自激泵 |
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